plasmaaktivierung und beschichtung holzbasierter substrate · behinderten entladung (dbd) unter...
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Plasmaaktivierung und –beschichtung
holzbasierter Substrate
DI Judith Sinic
Consorzio INNOVA FVG
24. September 2018, Amaro (UD)
Einleitung
Plasmabehandlungen von Holz, Holzwerkstoffen und Fasermaterialien
ermöglichen langzeitstabile und effiziente Beschichtungs- und
Behandlungsprozesse
Vorteile von Plasmabehandlungen
• Homogene Verteilung von flüssigen Beschichtungsmitteln auf Oberflächen
• Verbessertes Eindringvermögen von Harzen und Modifikationsmitteln
• Steigerung der Haftfestigkeit von Beschichtungssystemen und
Klebverbindungen
• Keim- und Sporenreduktion
• Plasmabeschichtungsverfahren: Erzeugung funktionaler und dekorativer
Dünnschichten auf Oberflächen
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Einleitung
Anwendungsfelder der Plasmabehandlung holzbasierter Werkstoffe
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Plasmaaktivierung
Plasmavorbehandlung von Holz
Plasmaanlage zur Behandlung von Massivholz
(bis 30mm Dicke)Quelle: Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des
Fraunhofer-IST
Industrienaher Prototyp zur Aktivierung
von Holz- und Holzwerkstoffoberflächen
• Verwendung einer dielektrisch
behinderten Entladung (DBD) unter
Atmosphärendruck
• Schnelle und großflächige
Vorbehandlung von Holz und
Holzwerkstoffen (keine Erwärmung des
Substrats)
• Vorbehandlung zur nachträglichen
Beschichtung durch Farben, Lacke und
Klebstoffe [1], [2]
[1] A. Wolkenhauer et alt. (2005): Haftungsverbesserung von Holzbeschichtungen durch Plasma-Vorbehandlung; Holztechnologie 46 (2005) 3, Carl Hanser
Verlag München
[2] Georg Avramidis et alt. (2010): Holzoberflächenmodifikation mittels Atmosphärendruckplasma; Vakuum in Forschung und Praxis, Vol.22 Nr.1, WILEY-
VCH Verlag GmbH & Co.KGaA, Weinheim
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Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von Holzwerkstoffplatten und Spanmaterial
Sperrholzplatten aus thermisch behandelten
Buchenholzfurnieren nach künstlicher Bewitterung -
unbehandelt (oben) und plasmabehandelt (unten)Quelle: Anwendungszentrum für Plasma und Photonik des Fraunhofer-IST
Plasmavorbehandlung von Holzspänen für
die Spanplattenherstellung (OSB)
(Förderbandanlage)Quelle: Pressestelle der HAWK Hochschule für
Angewandte Wissenschaft und Kunst http://www.hawk-
hhg.de/aktuell/default_211593.php
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Sperrholzplatten aus thermisch modifiziertem
Buchenholzfurnier wurden vor der Verklebung
mittels Plasma vorbehandelt → kein Quellen der
Furnierlagen nach künstlicher Bewitterung.
unbehandelt plasmabehandeltPlasmabehandlung einer MDF-Platte
Schnellere Oberflächentrocknung des Nasslackes auf der
plasmabehandelten Seite der MDF-Platte
Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von MDF
Die Plasmavorbehandlung von MDF-Platten führte zu einer Verbesserung der
Benetzbarkeit der Oberfläche. In Beschichtungsversuchen mit Nasslack konnte eine
schnellere Oberflächentrocknung festgestellt werden.
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Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von WPC
WPC-Proben (60% Fichtenholz, 38% PP, 2% HV) wurden
mittels Atmosphärendruckplasma vorbehandelt.
→ Steigerung der Oberflächenenergie (polaren Anteile) der
plasmabehandelten Proben durch Anlagerung funktioneller Gruppen
→ Erhöhung der Klebfestigkeit mit unterschiedlichen Klebesystemen
nach der Plasmabehandlung der WPC-Proben
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Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von WPC für die Pulverlackbeschichtung
(a) Plasmabehandlung von WPC-Proben und Aufbringen einer Leitfähigkeitslösung
(b) Plasmabehandlung von mit Leitfähigkeitsruß modifizierten WPC-Proben
Pu
lverl
ac
kb
esch
ich
tun
g
Gitterschnittprüfung
WPC WPC
modifiziertplasmabehandeltunbehandelt
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Plasmaaktivierung
> 50s
Öl-Absorptionsverhalten bei unbehandeltem
und plasmabehandeltem Buchenholz
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Plasmabehandlung von thermisch
modifiziertem Holz
Eine Plasmabehandlung an thermisch
modifiziertem Buchenholz führte zu einer
verbesserten Ölaufnahme. Öltropfen dringt
nach der Plasmabehandlung 10-mal schneller
in das Thermoholz ein als im unbehandelten
Zustand.
Plasmabehandlung von
Dekorpapier
Mittels Plasmabehandlung wird die
Benetzbarkeit von Dekorpapieren deutlich
verbessert und die Harzabsorption und
damit die Imprägnierbarkeit optimiert.
Kontaktwinkel UF-Harz auf dem
unbehandelten Dekorpapierca. 65°
Kontaktwinkel UF-Harz auf dem
plasmabehandelten Dekorpapierca. 30°
Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von Flachsfasermatten
Mittels Niederdruckplasma wurden Flachsfasermatten vorbehandelt, anschließend mit
Harz imprägniert und schließlich zu einer Platte verpresst. Ziel war eine Erhöhung der
Festigkeit der Platte durch eine verbesserte Haftung zwischen Faser und Harz zu
erreichen.
unbehandelte Flachsfasermatte Plasmabehandlung der Flachsfasermatte
mittels Niederdruck (Certottica)
Niederdruckplasmabehandlung
• Die Plasmabehandlung der
Fasermatten wurde in der Kammer
der Niederdruckplasma-Anlage
durchgeführt (Certottica Scrl)
• Es wurden unterschiedliche
Prozessgase (Argon, Sauerstoff,
Argon/Sauerstoff und Luft) sowie
unterschiedliche Behandlungszeiten
(zwischen 1min und 15min)
getestet.
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Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von Flachsfasermatten
Imprägnierung mit epoxidierten
Leinsamenöl (30% Harz-, 70% Faseranteil)plasmabehandeltunbehandelt
Verpressung bei 180°C, 50bar, 15min
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Max. Biegefestigkeit [N/mm²]
und max. Biegemodul [N/mm²]
wurden mit dem Prozessgas
Sauerstoff und einer
Behandlungszeit von 5min
erreicht
→ Steigerung um 20% im
Vergleich zur unbehandelten
Referenzplatte
Plasmaaktivierung
Plasmabehandlung von Holzmehl
In einer Machbarkeitsstudie wurden Holzmehlproben mittels Plasma im
Niederdruckverfahren (Fa. Diener GmbH) vorbehandelt. Ziel der Plasmabehandlung des
Holzmehls war eine Reduktion der im Holz befindlichen Keime und Sporen zu erreichen,
die zu Schimmel- und Pilzbefall führen könnten.
Kein Pilzwachstum auf Testplatten mit plasmabehandeltem
Fichtenholzmehl (links); 7 Keimpunkte nach 4 Tagen
Inkubationszeit auf Platten mit unbehandeltem Holzmehl (rechts)
→ In mikrobiologischen Untersuchungen
konnte beim plasmabehandelten Holzmehl
kein, bei den unbehandelten Proben
vereinzelt Pilzwachstum festgestellt werden
(Schimmelpilz der Gattung Penicillium)
→ Die Plasmabehandlung hatte keinen
Einfluss auf die Feuchteaufnahme der
Holzmehlproben
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Plasmabeschichtung
Abscheidung von metallischen Dünnschichten auf holzbasierte
Substrate
In Zusammenarbeit mit dem MCT (Universität Innsbruck) wurden Versuche zur
Abscheidung metallischer Dünnschichten auf holzbasierte Substrate mittels PVD-
Verfahren durchgeführt.
Ziel der Versuche war neben der Machbarkeitsstudie eine elektrische Leitfähigkeit der
unterschiedlichen Materialien zu erreichen.
• Substrate: MDF, Eichenholz, WPC (70% Holzmehl, 30% PP), Papier (80g/m²)
• Beschichtungsprozess: Magnetronsputterverfahren (Vakuumprozess)
– Druck: 10-2 bis 10-1 mbar
– Temperatur: unter 50°C
• Dünnschichtmaterial: Molybdän, Chrom, Wolfram
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Plasmabeschichtung
Abscheidung einer Molybdänschicht auf holzbasierte Substrate
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(a) WPC unbeschichtet und (b) mit Molybdänschicht, (c) MDF unbeschichtet und (d) mit Molybdänschicht, (e) Eichenholz
unbeschichtet und (f) mit Molybdänschicht, (g) Papier unbeschichtet und (h) mit Molybdänschicht
→ Gute Haftung der Dünnschichten auf den unterschiedlichen Substraten
→ Molybdänschichtdicken zwischen 3µm und 5µm
Plasmabeschichtung
Untersuchung der elektrischen Leitfähigkeit der Dünnschichten
Microcontroller board mit Touch- und kapazitiver Näherungsschaltfunktion
Für alle getesteten Materialien (WPC, MDF, Eiche, Papier) funktionierte der Schaltkreis
sowohl bei Berührung als auch bei Annäherung.
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Aufgrund der Leitfähigkeit der
Molybdänschicht auf dem Papier
funktionierte der Schaltkreis sowohl
durch (a) Berührung als auch durch
(b) Annäherung → orange LED
leuchtet auf und Signaltöne sind
über den Lautsprecher zu hören
(a) (b)
Zusammenfassung
Plasmabehandlung auf holzbasierte Werkstoffe
• Holz: mittels Plasmabehandlung kann eine verbesserte Benetzbarkeit für
eine nachträgliche Beschichtung durch Farben, Lacke und Klebstoffe erzielt
werden. Tests zeigten auch, dass eine Plasmavorbehandlung einen
größeren Einfluss auf die oberflächenenergetischen Eigenschaften zur
„Auffrischung“ von Holzoberflächen hat als das Schleifen → bessere
Haftung von Lack- und Klebesystemen
• Holzfurnier / Papier: mittels Plasmabehandlung kann eine beschleunigte
Tränkbarkeit und damit eine homogenere Verteilung von Harzen und
Modifikationsmitteln erreicht werden
• Span- und Faserplatten: schnellere Aushärtung von wasserbasierten
Klebstoffen und Festigkeitszunahme verklebter Bauteile; Vorbehandlung
der Holzspäne für eine effektivere Harzaufnahme
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Zusammenfassung
Plasmabehandlung auf holzbasierte Werkstoffe
• Holz/Kunststoffverbundwerkstoffe (WPC): durch eine Plasmabehandlung
kann die Oberflächenenergie von WPC deutlich erhöht werden →
Verbesserung der Benetzbarkeit und Steigerung der Haftfestigkeit mit
Druck-, Lack-, Farb- und Klebesystemen
• Naturfasern: die Oberfläche kann mittels Plasmabehandlung aktiviert
werden (hydrophil bzw. hydrophob) → bessere Faser/Matrix-Haftung in
Verbundwerkstoffen und damit höhere Festigkeitswerte
• Holzmehl: Keim- und Sporenreduktion zur Vermeidung von Pilz- und
Schimmelbefall
• Funktionalisierung und dekorative Oberflächengestaltung holzbasierter
Substrate: Aufbringen von hydrophoben bzw. hydrophilen Dünnschichten,
antibakterielle/antimikrobielle Schichten, metallische Leitfähigkeits- bzw.
Dekorbeschichtungen, Haftvermittlerschichten
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Die Studien wurden im Rahmen des Projektes ICAP –
Innovation durch kombinierte Anwendungen von
Plasmatechnologien (ITAT1010) durchgeführt, das durch
den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung und
Interreg V-A Italien-Österreich 2014-2020 sowie dem
Kärntner WirtschaftsförderungsFonds (KWF) gefördert
wird.
Weiterer Dank gilt den im Projekt ICAP teilnehmenden Partnern:
• Certottica Scrl (LP)
• Universität Innsbruck / Material Center Tirol
• Consorzio INNOVA FVG
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